信號檢測與估計課程緒論教學(xué)方法論文
摘要：“信號檢測與估計”課程因其完整的理論體系，很難短時間內(nèi)讓學(xué)生領(lǐng)會，因此造成事實上的學(xué)生課程學(xué)習(xí)困難。給課程“作緒”的質(zhì)量高低，某種程度上會直接影響學(xué)生對本門課程的學(xué)習(xí)。本文首先分析本課程難以學(xué)習(xí)的原因，其次提出基于實例的給課程作緒論的教學(xué)方法，然后梳理它在通信、雷達(dá)以及衛(wèi)星導(dǎo)航三個領(lǐng)域的知識點，最后給出具體的2學(xué)時緒論課的教學(xué)思路，并整理出一份實際的緒論課教案。
關(guān)鍵詞：檢測與估計；課程體系；通信；雷達(dá)；導(dǎo)航
一、引言
在日后的課題研究時，也沒有意識應(yīng)用所學(xué)到的科學(xué)的分析理論和方法，基本上失去了課程存在的意義。因此，眾多的授課教師們已經(jīng)認(rèn)識到在有限的授課時間內(nèi)，知識體系建立的重要性要遠(yuǎn)大于具體知識的傳授，也在不同層次、不同角度開展教學(xué)方式和方法的改革。緒論課是該課程第一次與學(xué)生見面。緒論課是否成功，能否抓住學(xué)生的注意力，為日后的學(xué)習(xí)效果定了基調(diào)，因此顯得尤為重要。事實上，信號檢測與估計的理論在通信、雷達(dá)、衛(wèi)星導(dǎo)航等領(lǐng)域有深入應(yīng)用。針對該課程特點，本文提出以該課程在這三個領(lǐng)域的幾個典型實例為主要內(nèi)容的緒論課方式，旨在促進(jìn)學(xué)生對課程內(nèi)容的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。對通信、雷達(dá)以及導(dǎo)航領(lǐng)域中相對應(yīng)知識進(jìn)行梳理，給出一堂緒論課的教案實例。
二、課程在三大領(lǐng)域的體現(xiàn)
信號檢測與估計理論已成為現(xiàn)代信息科學(xué)的一個重要組成部分。隨著生產(chǎn)實踐和科學(xué)技術(shù)的'發(fā)展，特別是隨著電子計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，顯著地增加了實現(xiàn)各種最佳或者接近最佳的處理方案的可能性，也促進(jìn)了理論本身的不斷發(fā)展。目前，信號檢測與估計的理論已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，如通信、雷達(dá)、衛(wèi)星導(dǎo)航、自動控制、模式識別等領(lǐng)域。在課堂上，實時將所講的知識點與不同應(yīng)用領(lǐng)域加以聯(lián)系，不但加深了學(xué)生對知識的理解，也提高了學(xué)習(xí)興趣，事半功倍。通過完成這些建設(shè)，增強(qiáng)了學(xué)生對知識的理解掌握能力，全面提升了課程的教學(xué)效果。
1.通信在通信原理經(jīng)典教材中，有一章專門討論數(shù)字信號的最佳接收機(jī)問題，也是定量分析誤碼率最重要的一章，其全部的理論基礎(chǔ)來自于信號檢測與估計課程。通信系統(tǒng)中的最佳接收是以錯誤概率最小為準(zhǔn)則的，可分為確知信號、隨相信號和起伏信號三類分別定量分析。實際通信接收機(jī)的誤碼率性能分析也是本課程中信號統(tǒng)計性能理論的進(jìn)一步深入。在通信技術(shù)中，存在在干擾噪聲中發(fā)現(xiàn)或者分辨微弱信號的問題。一般來說，信號通過系統(tǒng)所能獲得的信噪比是系統(tǒng)有效性的一個度量，如二元通信系統(tǒng)的錯誤概率與信噪比有關(guān)，信噪比越大，錯誤概率越小。此外，通信中的匹配濾波和相關(guān)接收的重要概念也出自于本課程。因此有了信號檢測與估計理論后，再去閱讀通信原理就會容易得多。
2.雷達(dá)雷達(dá)中的信號檢測是一個綜合性問題。雷達(dá)的主要功能是檢測、跟蹤和成像，檢測是指判斷雷達(dá)測量值到底是目標(biāo)回波還是僅為干擾項。雷達(dá)回波信號中總是混雜著噪聲和各類干擾，而噪聲和各種干擾信號均具有隨機(jī)持性，在這種條件下如何發(fā)現(xiàn)目標(biāo)屬于信號檢測的范疇。只有在確定有目標(biāo)存在時，才會進(jìn)一步進(jìn)行距離、角度和多普勒的精確估計。信號檢測理論是判斷信號是否存在的方法及其最佳處理方式。在雷達(dá)信號處理的著作中，都會有關(guān)于雷達(dá)信號的恒虛警概率檢測（CFAR）的深入討論，這是雷達(dá)普遍采用的信號檢測方法。其理論基礎(chǔ)就來自于本課程的統(tǒng)計檢測，屬于派生貝葉斯中的奈曼—皮爾遜準(zhǔn)則。
3.導(dǎo)航衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)技術(shù)是以信號檢測與估計為重要理論基礎(chǔ)的。衛(wèi)星導(dǎo)航信號的捕獲也屬于噪聲中信號的檢測，在工程上，技術(shù)人員往往采用和雷達(dá)中一樣的恒虛警檢測技術(shù)。位置的定位解算過程，采用了基于最小二乘法的迭代算法，是一種噪聲背景下的信號估計方法，屬于信號統(tǒng)計估計范疇。目標(biāo)的航跡經(jīng)常會采用卡爾曼濾波算法進(jìn)行推測，屬于波形估計的范疇。導(dǎo)航接收機(jī)接收到的數(shù)據(jù)可能摻雜著各種干擾，為保存導(dǎo)航信號，可采用以輸出信噪比最大為最佳準(zhǔn)則的線性濾波理論。匹配濾波的方法也常常用來處理導(dǎo)航信號。匹配濾波器是許多最佳檢測系統(tǒng)的基本組成部分，在最佳信號參量估計、信號分辨、信號產(chǎn)生和信號壓縮等方面起著重要作用。
三、緒論（2學(xué)時）的教案設(shè)計
根據(jù)課程的四個主要構(gòu)成內(nèi)容，每個構(gòu)成內(nèi)容安排一個實例。以下是筆者在教學(xué)實踐中所采用的實例。統(tǒng)計檢測：以雷達(dá)接收機(jī)中有無敵機(jī)目標(biāo)的恒虛警檢測問題為例，講解雷達(dá)檢測是一種基于噪聲與雜波背景的統(tǒng)計檢測，解釋雷達(dá)為什么要采用奈曼—皮爾遜的恒虛警檢測準(zhǔn)則。在講解時注意結(jié)合提問的形式，促使學(xué)生主動思考。波形檢測：以二進(jìn)制確知信號BPSK調(diào)制信號的最佳接收為例，講解其調(diào)制方法，形象解釋由于其相關(guān)系數(shù)為-1，故其誤碼率最低的原因，理解波形檢測所要解決的問題。統(tǒng)計估計：以導(dǎo)航中定位解算的最小二乘法為例，講解采用導(dǎo)航定位解算實質(zhì)上就是四個（或以上）病態(tài)非線性方程的聯(lián)立求解，解釋其采用最小二乘的原因。波形估計：以導(dǎo)航中目標(biāo)的運動航跡推測為例，講解什么是航跡推測，以及卡爾曼濾波算法進(jìn)行航跡推測的過程。基于上述思路，下表中給出2學(xué)時緒論課的一個教案設(shè)計實例：
四、結(jié)束語
緒論是一門課的開場，其質(zhì)量好壞會直接影響本門課的教學(xué)效果。信號檢測與估計的知識點在通信、雷達(dá)和導(dǎo)航中有廣泛應(yīng)用。為了能更好地引導(dǎo)學(xué)生，教師應(yīng)秉承以實例為主要引導(dǎo)手段，從而盡快把握課程精髓之所在的教學(xué)主張。通過實例引導(dǎo)，有助于學(xué)生盡快地理解信號檢測與信號估計的含義，引發(fā)學(xué)生的求知欲望。學(xué)習(xí)信號檢測與估計理論，將為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)研究隨機(jī)信號統(tǒng)計處理打下扎實的理論基礎(chǔ)；同時該課程的基本概念、基本理論和分析問題的方法也為解決實際問題提供了方向，從而讓學(xué)生以更好的狀態(tài)面對日后課程的學(xué)習(xí)。
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